周興政，朱 泓

(1.福清海峽發(fā)電有限公司，福建 福州 350309；2.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310014)

福建沿海海域廣泛分布有花崗巖，花崗巖球狀風化具有不均勻性、離散性、差異性、突變性等特點。風化深槽、暗礁、球狀風化對于工程設計和施工來說十分不利，需要查明。本文就福建興化灣海上風電場地質(zhì)勘察中遇到的主要工程地質(zhì)問題和勘察難點進行探討。

1 工程概況

福建興化灣海上風電場項目位于福清興化灣內(nèi)，鄰近福清核電廠址，由兩塊區(qū)域組成，總面積約48.6 km2，總裝機容量450 MW。工程分為二期，其中二期面積約18.5 km2，場址泥面高程-28～-3 m，中心離岸距離約4.7 km。

1.1 場址區(qū)基本地形地貌

擬建機位多位于水下岸坡及海底階地地貌單元上。場區(qū)內(nèi)有大小不一的島礁、暗礁分布，局部分布海溝，地形復雜，東側場區(qū)機位遠岸處地形較平緩，西側近岸處地形稍陡。

1.2 場址區(qū)基本地層概況

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料以及已有的勘察成果，區(qū)域內(nèi)基巖地層以燕山早期第三次侵入(γ52(3)c)含黑云母花崗巖、燕山早期第二次侵入(γδ52(3)c)灰白色花崗閃長巖及侏羅系南園組第二段(J3nb)淺灰色流紋質(zhì)晶屑碎斑熔巖夾凝灰?guī)r、砂巖為主，局部為燕山期混合巖化作用形成的花崗片麻巖，第四系沉積地層主要為海積(Q4mc)淤泥、粘土、砂、殘積(Qel)砂質(zhì)粘性土等。

2 主要工程地質(zhì)問題

工程區(qū)巖性主要為花崗巖，巖性復雜多變，基巖面起伏大，花崗巖的球狀風化較為普遍，在全風化、強風化帶內(nèi)常殘留有風化孤石。興化灣一期項目前期勘探過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的球狀風化孤石，但在施工沉樁過程中個別樁遇到了孤石，據(jù)實測孤石直徑一般1～3 m，最大可達5 m，造成鋼管樁癟樁，無法正常沉樁，后續(xù)處理難度很大，增加了工程處理費用，且對工期影響很大。

基巖面起伏大，散體狀花崗巖密實度不均一，個別鋼管樁沉樁難以達到設計標高，停錘標準難以確定，造成鋼管樁截樁較長，長度達3～10 m，浪費嚴重。

3 工程地質(zhì)勘察難點

1)地形地貌基本被海水淹沒，無法直觀地觀測到場區(qū)地形地貌、表層地層巖性、構造等地質(zhì)特征。

2)場區(qū)巖性為花崗巖，具有不均勻性，離散性、差異性、突變性，并分布有孤石，對鋼管樁施工方案的選擇影響大。

3)場地地層不均一，地層結構、厚度變化大，地層起伏大，對基礎型式選擇影響較大。

4)現(xiàn)有規(guī)范的編制不完善，陸地風電場和海相沉積區(qū)的風電場勘察、設計、施工技術相對成熟，規(guī)范內(nèi)容方面編制完整，但對于淺海一帶花崗巖特殊巖土的勘察，因收集資料較少，規(guī)范中很少闡述，很多條款都是指明參考《海上平臺場址工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB/T17503)，參照性差。

5)物探成果的多解性。僅僅依靠物探成果解譯，場地風化巖深度和界面物探解譯與實際鉆探劃分地層偏差很大，個別界面深度甚至誤差十余米。可見物探成果在花崗巖地層中解譯的難度和困難，需要鉆孔資料的支撐。

4 工程中對策

根據(jù)工程規(guī)模和場區(qū)范圍，通過海上地質(zhì)鉆探工作，結合現(xiàn)場原位測試技術、現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗等綜合手段進行工程地質(zhì)勘察。

4.1 球狀風化現(xiàn)象的判定

4.1.1 鉆探取芯分辨

在花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育地區(qū)，巖石沿節(jié)理面風化速度較中心部位快，有時幾組方向的節(jié)理將巖石切割成多面體的小塊，小巖石塊的邊緣和隅角從多個方向受到溫度及水溶液等因素的作用而最先破壞，而且破壞深度較大，久而久之，其棱角逐漸消失，變成球形或橢球形，這種現(xiàn)象叫球狀風化。這種現(xiàn)象常見于風化速度較快的粗粒花崗巖地區(qū)，細?；◢弾r中球狀風化現(xiàn)象比較少見。因此勘察中若發(fā)現(xiàn)基巖面有異常起伏或鉆取到一段巖芯后又揭露風化土層，應加深勘探深度，以利于判定是否為球狀風化現(xiàn)象，防止把球狀風化的孤石當成基巖層面。球狀風化的殘存孤石在殘積土中往往突然出現(xiàn)，界面接觸突然，缺乏正常的殘積層-強風化層-中風化層的自然過渡，據(jù)此可初步判斷是否為球狀風化現(xiàn)象。

4.1.2 物探探測

物探方法多種多樣，尤其對于花崗巖地區(qū)風化孤石的判斷，許多單位也在摸索總結中。地震反射波法利用的是巖土層的阻抗差異(密度和速度差異)，如孤石與周邊土層的密度和速度存在明顯的差異，且海水(液體)更能消除地震波動信號中的面波等干擾，接收信號更好，且采用水上高頻、高密度多次覆蓋地震反射波法，分辨率會更高。

通過野外實際試驗工作，并結合測區(qū)經(jīng)驗，工程區(qū)水域主要地層具有如下地球物理特征：

1)海水縱波速度Vp=1 480～1 500 m/s；

2)覆蓋層的平均縱波速度Vp=1 600～1 700 m/s；

3)基巖的縱波速度Vp>2 000 m/s。

由以上波速資料可看出，不同巖土層波速差異較大，波阻抗差異明顯，為開展水域地震反射波提供了良好的地球物理條件。

4.2 花崗巖風化程度的劃分

花崗巖殘積土和風化土中通常含有較多的石英砂礫，且粉性較高，顆粒間結合力較弱，野外肉眼分層難度較大，室內(nèi)土工試驗由于石英顆粒含量較多，試驗成果也無法正確劃分定名。根據(jù)福建省巖土工程勘察規(guī)范，花崗巖風化程度的劃分主要依據(jù)原位測試成果，對于厚層狀的強風化巖和全風化巖時，根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗又進一步劃分為碎塊狀、碎屑狀和土狀，見表1。標貫錘擊數(shù)的準確性和巖土分層合理性與后期沉樁施工有很大的關系，有必要在勘察階段劃分清楚，為沉樁施工做指導。

表1 福建花崗巖標貫錘擊數(shù)風化程度劃分標準表

5 工程實例

福清興化灣海域二期風機共布置了45臺風機，在該海域風機基礎設計主要采用高樁承臺基礎。

5.1 樁型與勘探點的布置

勘探孔布置的數(shù)量與樁型有關，而樁型又和場地地形、地層、海水深度、施工船舶吃水深度等條件息息相關，有時設計專業(yè)會根據(jù)風機位第一個勘探孔基巖層面的埋深、海水深度等地質(zhì)條件，樁型設計隨之變更，原有的布孔方案就要重新調(diào)整，這些因素給勘察布孔帶來了一定的困難。

根據(jù)本案機位地層勘察情況分析和探討，原則上6-8根的高樁承臺基礎，平面上宜呈等腰三角形布置3個勘探孔。當樁位遇到孤石等不良地質(zhì)體時，應分析不良地質(zhì)體埋深位置，如果孤石位于鋼管樁沉樁深度范圍內(nèi)，則需要增加勘探工作量，以探明不良地質(zhì)體的分布范圍。如場區(qū)53號機位，因距離島嶼較近，經(jīng)多次移位多個勘探孔中均見有孤石，這樣機位的工程地質(zhì)條件只能提醒設計和施工單位提前采取相應的施工處理措施，避免在施工中出現(xiàn)被動局面。如果孤石埋深超過了沉樁深度在嵌巖段范圍內(nèi)時，嵌巖施工處理屬于可控范圍，風機機位可以不再增加勘探工作量或移位。如：20號機位鉆探巖芯中就發(fā)現(xiàn)有明顯的孤石，經(jīng)過設計驗算，孤石位置處于嵌巖段，不會造成癟樁現(xiàn)象，就不再增加勘探工作量。

5.2 孤石的判斷

為查明工程場地及風機位置基巖面埋深及球狀風化孤石發(fā)育情況及分布情況，采用了水上高頻、高密度多次覆蓋地震反射波勘探法的物探方法(CDP)。

5.2.1 物探成果的解譯原則

水域地震反射資料成果解釋工作以反射波時間剖面圖為基礎，圖中各反射波的時序分布關系與形態(tài)特征是地層地質(zhì)現(xiàn)象的客觀反映。解釋原則：

1)對于巖土層層位的劃分，主要是追蹤時間剖面圖中的連續(xù)同相軸；

2)對于異常的劃分(可能發(fā)育孤石的位置)，主要是尋找繞射弧或者局部能量較強且附近同相軸不連續(xù)的位置。

圖1中綠色、黃色、紅色和藍色實線均為地震反射解釋的巖土層分界線，其中綠色實線為水底地形線，紅色或者黃色實線為土層的分界面，藍色實線為中風化基巖面。紅色圈圈標示的為異常區(qū)域是孤石發(fā)育的潛在區(qū)域，通常表現(xiàn)為繞射弧現(xiàn)象或者局部能量較強且附近同相軸不連續(xù)。

A剖面中紅色圈圈標示的異常區(qū)域表現(xiàn)為存在明顯的繞射??；B和C剖面中紅色圈圈標示的異常區(qū)域表現(xiàn)為存在繞射弧，局部能量較強，同相軸不連續(xù)，均為發(fā)育孤石可能較大的位置。

圖1 A、B和C地震反射時間剖面圖(從左往右)

5.2.2 鉆孔驗證

根據(jù)現(xiàn)場物探測試分析幾個機位出現(xiàn)的異常點，選取了34號、54號、56號三個機位靠近施工布樁位置進行取芯驗證。對比情況見表2。

表2 鉆孔巖芯與物探解譯異常點對比表

本次只驗證了3個孔的實際情況，根據(jù)三個鉆孔中對物探CDP成果解譯異常點的檢驗，其中54號機位CDP反映情況與實際鉆孔巖芯揭露情況比較相近，該段巖脈性狀與周邊風化巖性狀差異較大，物探反映明顯；34號、56號機位解譯效果不是很明顯，因此在判斷孤石上尚未找到一個效果明顯的勘察手段。由于影響物探解譯的因素很多，如儀器的適用性、地層巖性復雜性、風化程度的不均一性、海水深度，都會給成果的解譯帶來一定的干擾和誤判，這些問題都有待于進一步的研究和探討。

5.2.3 施工階段沉樁情況驗證

勘探期間有些鉆孔巖芯中并未發(fā)現(xiàn)有孤石存在的跡象，而在實際沉樁過程中機位范圍內(nèi)部分樁卻有出現(xiàn)癟樁情況，癟樁變形情況經(jīng)水下探測，其變形形態(tài)見示意圖2。表3為工程區(qū)6樁嵌巖樁施工過程中記錄的癟樁樁位和最終停錘貫入度情況，其中55-6樁癟樁結果樁底內(nèi)凹變形約0.6 cm左右，對照鉆孔巖芯、地質(zhì)剖面圖以及停錘貫入度綜合分析，造成癟樁的原因是樁底存在塊體較大的風化孤石，強度較高，沉樁難以穿透；另一個方面分析原因是部分樁的樁底已打入碎裂狀強風化花崗巖巖層中，如29號機位的4個樁癟樁情況，主要是樁底已接近或打入碎塊狀強風化花崗巖中，對照鉆孔巖芯，樁底相應高程位置上的巖芯呈5～8 cm塊狀，對于大直徑打入式樁沉樁十分困難，強行錘擊就容易引起癟樁和卷邊。因此在花崗巖地區(qū)沉樁過程中如何消化和理解地質(zhì)成果十分必要。

圖2 部分樁樁底癟樁形狀示意圖

5.3 標貫錘擊數(shù)與沉樁的關系

孔內(nèi)標貫測試數(shù)據(jù)在花崗巖地區(qū)工程中非常重要，在沉樁施工過程時，標貫的錘擊數(shù)與沉樁的貫入度有直接的關系。如：福清興化灣風電場17號機位高樁承臺鋼管樁設計樁長為60余米，樁外徑1 900 mm，壁厚28 mm，樁基采用斜樁，斜率為6∶1。根據(jù)現(xiàn)場標貫錘擊數(shù)對地層的劃分，50～70擊/30 cm主要為散體狀花崗巖，70擊/30 cm以上基本劃分為碎裂狀花崗巖。結合現(xiàn)場樁基沉樁施工，當未經(jīng)修正的標貫錘擊數(shù)達到50～70擊/30 cm以上時，沉樁速率明顯變慢，當標貫錘擊數(shù)達到70擊/30 cm以上，即使加大錘擊能量，沉樁也十分困難，基本達到停錘要求，見表4。

表3 施工沉樁癟樁樁號表

6 結 語

隨著福建、廣東淺海海域花崗巖特殊巖土地區(qū)海上風電的陸續(xù)開發(fā)，遇到的工程地質(zhì)問題將會越來也多，花崗巖地區(qū)特殊巖土風機基礎的勘察準確程度直接影響到設計質(zhì)量、鋼管樁基礎施工的難度和工程成本。以上僅僅總結了興化灣一帶花崗巖地區(qū)的幾個勘察方法和工作要點，是對工程的一次寫真，由于花崗巖地層具有地區(qū)性、不均勻性、離散性、差異性、突變性等性狀，對花崗巖中不良地質(zhì)尤其是對孤石判斷準確率和測試精度各個單位仍在探索之中。本文做拋磚引玉為今后類似工程借鑒之用。

表4 17號風機嵌巖沉樁段和18號風機摩擦樁沉樁貫入度與標貫對比表